蜘蛛如何「御電而行」?

2021-01-16 中科院物理所

1832年,達爾文正在「小獵犬號」上擔任博物學家。一日,他在甲板上發現了件怪事——一夜之間,甲板上多了上千隻小紅蜘蛛。

此時,「小獵犬號」距離海岸足足有60英裡,蜘蛛是怎麼過來的呢?

一個自然的想法,便是認為蜘蛛靠著海風,「御風而行」,抵達船上。

蜘蛛翹起腹部,射出蛛絲,然後風拉著蛛絲、拖著蜘蛛,漂洋過海:

但達爾文卻發現了疑點——不論有風無風,或是在極其微弱的海風之下,船上的蜘蛛都能騰空而起;而且,蜘蛛似乎只在微風之時起飛;同時它也不會將蛛絲射出來……

達爾文沒有給出解答,直到最近,布裡斯託大學的兩位科學家,Erica L. Morley 和 Daniel Robert,給出了解答:

蜘蛛利用電場飛行

御電而行,蜘蛛如何做到?電場又從何而來呢?

其實,大氣層中存在著強烈的電場,地面帶負電,雲層帶正電。這一電場平時有100V/m,陰雨天氣時甚至能達到10,000V/m。

我們之所以難以感知,是因為空氣的電容很小,我們自身就可以改變周邊電場的分布,使得我們周邊的電場減弱。

參見《費恩曼物理學講義》,電磁學部分

地球上的電荷,以及大氣中的電場

蜘蛛靠近地面,蛛絲就會帶上負電,從而被天空的正電吸引,從而飛向天空。

但蜘蛛身上的電荷足夠嗎?不夠也不要緊,蜘蛛可以爬上樹冠、枝椏,這些尖銳的地方,使得自身所帶的電荷更多。

導體尖端帶電會更多

此時,蜘蛛翹起腹部,分泌蛛絲,就可以靠著地球的電場,御電而行。

理論上看起來沒有毛病,但科學需要實驗驗證。

Erica L. Morley 和 Daniel Robert設計了一個實驗:

實驗容器的電勢分布(左)與場強分布(右)

將蜘蛛放在密閉的容器中,隔絕空氣流動、外部電場,然後,再在裡面施加電場,強度與自然環境下一致。

蜘蛛果然飛了起來!而且,如果調整電場的強度,他們還可以控制蜘蛛的飛行速度!

飛行的蜘蛛

這是個巧合嗎?還是蜘蛛有意為之呢?

要回答這個問題,首先要回答的,就是「蜘蛛能否感知到電場」?

答案是肯定的,而且方式頗為有趣

蜘蛛用腿毛感知電場

蜘蛛的腿毛可以感知電場

不同的電場強度,會使得蜘蛛的腿毛朝向產生巨大的變化,從而能被蜘蛛感知到。

而且,蜘蛛在起飛之前,會有一個獨一無二的動作:踮腳(tiptoeing)。這個動作,只有起飛之前會觀察到,說明蜘蛛確是有意為之。

電場強度不同,「準備起飛」的蜘蛛數量也大不相同:

蜘蛛能對電場作出反應

如圖中C、D兩幅,就顯示了不同場強下,蜘蛛踮腳次數的差異。很明顯,蜘蛛不光感知到了電場,還能對它作出反應。

故曰:「列子御風而行,泠然善也;蜘蛛御電而行,猶亦善也」

參考文獻

1. Morley, Erica L., and Daniel Robert. 「Electric Fields Elicit Ballooning in Spiders.」Current Biology28, no. 14 (July 2018): 2324-2330.e2.https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.05.057.

2. ED YONG. 「Spiders Can Fly Hundreds of Miles Using Electricity.」The Atlantic(blog), July 5, 2018.https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/07/the-electric-flight-of-spiders/564437/.

來源:複雜魚塘

編輯:aki

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